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Jun 15, 2023

Eine bahnbrechende Entdeckung bei der Umwandlung von Kohlenstoffabscheidung für die Ethylenproduktion

Ein Forscherteam unter der Leitung von Meenesh Singh von der University of Illinois Chicago (UIC) hat einen Weg gefunden, 100 Prozent des aus Industrieabgasen gewonnenen Kohlendioxids in Ethylen umzuwandeln – ein Schlüsselelement

Ein Forscherteam unter der Leitung von Meenesh Singh von der University of Illinois Chicago (UIC) hat einen Weg gefunden, 100 Prozent des aus Industrieabgasen gewonnenen Kohlendioxids in Ethylen umzuwandeln, einen wichtigen Baustein für Kunststoffprodukte.

Ihre Ergebnisse werden veröffentlichtin Cell Reports Physikalische Wissenschaft.

Während Forscher seit mehr als einem Jahrzehnt die Möglichkeit erforschen, Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, ist der Ansatz des UIC-Teams der erste, der eine nahezu 100-prozentige Nutzung von Kohlendioxid zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen erreicht. Ihr System nutzt Elektrolyse, um eingefangenes Kohlendioxidgas in hochreines Ethylen umzuwandeln, wobei andere kohlenstoffbasierte Kraftstoffe und Sauerstoff als Nebenprodukte entstehen.

Der Prozess kann bis zu 6 Tonnen Kohlendioxid in 1 Tonne Ethylen umwandeln und fast das gesamte abgeschiedene Kohlendioxid recyceln. Da das System mit Strom betrieben wird, kann der Einsatz erneuerbarer Energien den Prozess CO2-negativ machen.

Laut Singh übertrifft der Ansatz seines Teams das CO2-Netto-Null-Ziel anderer Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung, indem er den gesamten Kohlendioxidausstoß der Industrie tatsächlich reduziert. „Es ist ein Nettonegativ“, sagte er. „Für jede produzierte Tonne Ethylen entnimmt man 6 Tonnen CO2 aus Punktquellen, die andernfalls in die Atmosphäre gelangen würden.“

Frühere Versuche, Kohlendioxid in Ethylen umzuwandeln, stützten sich auf Reaktoren, die Ethylen innerhalb des Kohlendioxidemissionsstroms der Quelle produzieren. In diesen Fällen werden typischerweise nur 10 Prozent der CO2-Emissionen in Ethylen umgewandelt. Das Ethylen muss später in einem energieintensiven Prozess, oft unter Einsatz fossiler Brennstoffe, vom Kohlendioxid getrennt werden.

Beim UIC-Ansatz wird ein elektrischer Strom durch eine Zelle geleitet, die zur Hälfte mit eingefangenem Kohlendioxid und zur anderen Hälfte mit einer wasserbasierten Lösung gefüllt ist. Ein elektrifizierter Katalysator zieht geladene Wasserstoffatome aus den Wassermolekülen in die andere Hälfte der Einheit, die durch eine Membran getrennt ist, wo sie sich mit geladenen Kohlenstoffatomen aus den Kohlendioxidmolekülen zu Ethylen verbinden.

Unter den hergestellten Chemikalien weltweit steht Ethylen nach Ammoniak und Zement an dritter Stelle hinsichtlich der Kohlenstoffemissionen. Ethylen wird nicht nur zur Herstellung von Kunststoffprodukten für die Verpackungs-, Landwirtschafts- und Automobilindustrie verwendet, sondern auch zur Herstellung von Chemikalien, die in Frostschutzmitteln, medizinischen Sterilisatoren und Vinylverkleidungen für Häuser verwendet werden.

Ethylen wird normalerweise in einem Prozess namens Dampfcracken hergestellt, der enorme Mengen an Wärme erfordert. Beim Cracken entstehen pro erzeugter Tonne Ethylen etwa 1,5 Tonnen Kohlenstoffemissionen. Im Durchschnitt produzieren Hersteller jedes Jahr rund 160 Millionen Tonnen Ethylen, was weltweit zu mehr als 260 Millionen Tonnen Kohlendioxid-Emissionen führt.

Neben Ethylen konnten die UIC-Wissenschaftler mit ihrem Elektrolyse-Ansatz weitere kohlenstoffreiche Produkte herstellen, die für die Industrie nützlich sind. Sie erreichten außerdem einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Solarenergie, indem sie 10 Prozent der Energie von den Solarmodulen direkt in Kohlenstoffprodukte umwandelten. Dies liegt deutlich über dem Stand der Technik von zwei Prozent. Für das gesamte von ihnen produzierte Ethylen betrug der Wirkungsgrad der Solarenergieumwandlung etwa vier Prozent, was ungefähr der gleichen Rate wie bei der Photosynthese entspricht.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der University of Illinois Chicago veröffentlicht